最奇异的计算机，创造出了最奇异的晶体

不得不承认，时间晶体这个名字或许会让人想到一些神奇的东西，比如魔法水晶球或者某种时间旅行装置。但时间晶体是真实存在的，尽管它们在某些方面确实有点儿像魔术。

时间晶体的概念最早由诺贝尔奖得主弗兰克・维尔切克提出，它们实际上是一种独一无二的粒子排列，可以在时间和空间上都处于永久而往复的运动中。

在近日的一项研究中，两位澳大利亚科学家在一台最先进的量子计算机上观察到了57个超导量子比特上的离散时间晶体（DTC）。这是继去年谷歌团队之后第二项在量子计算机上成功创建时间晶体的研究。论文已于近日发表在《科学进展》上。

时间晶体之所以如此被看重，是因为它们是物质的一种新的相，它们并不处于平衡或稳态，而是在各种状态之间切换。

像岩盐和钻石这样的固体晶体，是由它们的原子在空间上的排列和重复方式来定义的。与这些日常的“空间晶体”相比，时间晶体则是一个在时间和空间上重复的粒子系统。

此外，它们的状态几乎非常接近挑战物理学定律的边缘，因为它们从某种程度上来说是“永动”的。一个时间晶体会自发地、永久地在两种不同配置之间来回切换。而之所以说它“几乎”违反了物理学定律，是因为虽然通常认为运动的能量总会在熵（系统中无序的衡量标准）增加的过程中耗散，但是由于我们无法从时间晶体的永动中提取能量，所以实际上并不存在能量耗散。

为了更好地理解这里的奇怪之处，我们可以类比一个日常的场景。在烘焙时，我们会在一个碗里放上面粉和糖，当把它们搅拌在一起时，熵不断增加，物质变得更加无序，这样就不再是面粉和糖了，而是两者的混合物。

现在，让我们想象一下熵不会增加的场景，无论你把两者混在一起多长时间，所有面粉始终在碗的一边，而糖还是在另一边。时间晶体就像是这样一个面粉和糖永不混合的不可能系统，也就是说，熵随着时间的流逝保持静止。这就是为什么全世界的物理学家都对时间晶体感到兴奋。

但是，构建一个时间晶体并没有那么简单，需要满足许多要求。为了避免热化，也就是面粉和糖随着熵增而混合，时间晶体的各个组分必须与环境隔绝，否则热振动总会破坏时间晶体系统。

这听起来非常困难，但实际上，已经有一类本来就需将其组件尽可能隔绝的机器存在，那就是量子计算机。

和时间晶体类似的是，量子计算机使用了独特的粒子系统来创建一个可用于处理数据的量子态。一种用于隔离脆弱的量子态的常见技术，是将其保持在极低的温度下。

去年，来自谷歌和一些机构的研究人员成了第一个利用量子计算机创建时间晶体的团队，并于2021年11月在《自然》杂志上发表了他们的研究。现在，在新的研究中，来自墨尔本大学的物理学家PHILIPP FREY和STEPHAN RACHEL同样在量子计算机中观察到了他们的时间晶体。

两位科学家通过墨尔本大学的IBM量子中心获得了在线访问权，从而有权限访问IBM量子计算机的最佳性能的部分（分区）。

将量子计算机变成一个时间晶体在其他方面也满足要求。例如，系统的初始状态可以被准备好。量子比特“0”和“1”的状态就可以被看作“面粉和糖”。0和1的不同配置是普通计算机比特处理信息的基础，但在量子计算机中，量子比特可以是独特的0和1的叠加态，从而加强了信息处理和计算的能力。

虽然IBM量子计算机上的量子模拟仍然有些噪声，带有缺陷或干扰，这也印证了目前所有量子计算机还只是原型机，但研究仍然观察到了一个时间晶体，其中量子比特的配置不断重复。

在65个量子比特的芯片中（黑色的）57个量子比特被用来模拟DTC。| 图片来源：SCIENCE ADVANCE

这种奇特的量子系统本身就极具吸引力，同时，时间晶体也有一个明显的应用。由于配置不断重复，这个系统将永远不会丢失记忆。也就是说，它永远不会忘记这种初始状态。这就意味着，时间晶体有潜力构成一个完美的量子记忆装置。

同时，量子计算机虽然已经被预言到了诸多应用前景，但这项研究更加映照出了物理学家理查德・费曼在30年前预想的――利用量子计算机进行基础物理学的研究。

但作为物质的一个新的相，还有很多关于时间晶体的知识有待了解，我们认识到的越多，它们的应用就越有吸引力。量子计算机作为创造和研究时间晶体的手段，一定会加速科学家在这场新的量子竞赛中的认识。